自動控制原理2008第一章

自動控制原理2008第一章第一頁，共42頁。推薦教材與參考資料1、自動控制原理（第4版），胡壽松主編，科學出版社2、自動控制原理（修訂版），李友善主編，國防工業(yè)出版社3、自動控制原理習題集，胡壽松主編，沈程智副主編，國防工業(yè)出版社第二頁，共42頁。第一章自動控制的一般概念第二節(jié)自動控制系統(tǒng)示例第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第四節(jié)對自動控制系統(tǒng)的基本要求第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第一章自動控制的一般概念第五節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三頁，共42頁。第一節(jié)自動控制的基本原理與方式一、自動控制的基本概念自動控制：

自動控制系統(tǒng)控制裝置受控對象在無人直接參與下，利用控制裝操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化?？刂破鹘o定值檢測元件受控對象被控量自動控制示意圖分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務(wù)：第四頁，共42頁。例水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第五頁，共42頁。為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示:要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要,必須研究自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實際溫度偏差反饋量預期溫度_控制器執(zhí)行機構(gòu)閥門水箱第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第六頁，共42頁。二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第七頁，共42頁。例轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(qū)動器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺電機電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第八頁，共42頁。預期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開環(huán)控制的特點：

2．閉環(huán)控制有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對象之間，不但第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第九頁，共42頁。測速機偏差反饋量預期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器_

當實際速度受擾動的影響發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動對速度的影響。轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十頁，共42頁。例轉(zhuǎn)速負反饋直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流電機測速發(fā)電機電源和放大裝置負載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十一頁，共42頁。調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動機放大器測速機由電網(wǎng)電壓波動，負載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑減小或消除由于擾動所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十二頁，共42頁。反饋控制系統(tǒng)的基本組成組成及功能：比較元件測量反饋元件放大元件校正元件執(zhí)行元件r(t)偏差信號-c(t)主反饋輸入信號擾動串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對象并聯(lián)校正元件測量反饋元件局部反饋輸出信號e-比較元件第十三頁，共42頁。3．復合控制測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補償控制復合控制具有兩種基本形式.前饋補償控制：復合控制：反饋控制+第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十四頁，共42頁。(a)按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂平o定值被控制量_受控對象檢測元件控制器前饋控制第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十五頁，共42頁。(b)按擾動前饋補償?shù)膹秃峡刂茩z測元件_前饋控制擾動被控制量給定值受控對象控制器_第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十六頁，共42頁。一自動恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒溫箱的溫度由給定電壓信號u1控制

電阻絲調(diào)壓器～220V>>減速器執(zhí)行電機功率放大器電壓放大器Δuu1u2熱電偶第一章

自動控制的一般概念第二節(jié)自動控制系統(tǒng)示例第十七頁，共42頁。自動恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)過程:

所以，人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)極為相似，均為反饋控制，都要檢測偏差并用以糾正偏差，在自動控制系統(tǒng)中，這一偏差是通過反饋來建立的。給定溫度期望值Ti所對應(yīng)的電壓u1,由熱電偶測量得實際溫度To所對應(yīng)的電壓u2比較u1和u2，得電壓偏差：Δu=

u1-u2控制:Δu經(jīng)放大后，驅(qū)動執(zhí)行電機，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器,控制供電電壓，最終控制溫度。

第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例第十八頁，共42頁。自動恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理方塊圖：結(jié)定u1e-To溫度u2比較環(huán)節(jié)放大及運算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)放大熱電偶電機減速器調(diào)壓器恒溫箱被控對象:表示比較元件:表示作用方向:表示偏差信號e負反饋e=u1-u2正反饋e=u1+u2第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例第十九頁，共42頁。人工水位控制系統(tǒng)第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例二、水位控制系統(tǒng)：第二十頁，共42頁。自動水位控制系統(tǒng)第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例第二十一頁，共42頁。三、飛機俯仰角自動控制系統(tǒng)水平方向垂直陀螺儀放大器舵機M抬頭第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例給定電位器反饋電位器第二十二頁，共42頁。飛機俯仰角自動控制系統(tǒng)方塊圖：-擾動放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀-給定裝置第二節(jié)

自動控制系統(tǒng)示例第二十三頁，共42頁。第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、按反饋的有無來分:

1．開環(huán)控制系統(tǒng)：輸入和輸出之間無反饋，輸出對系統(tǒng)的控制作用無影響。特點：精度高，抗干擾能力強，易產(chǎn)生振蕩。特點：結(jié)構(gòu)簡單，不產(chǎn)生振蕩，但控制精度不高，抗干擾能力差。2．閉環(huán)控制系統(tǒng)：輸入和輸出之間有反饋，輸出對系統(tǒng)的控制作用有影響，反饋的作用就是減小偏差。第一章

自動控制的一般概念第二十四頁，共42頁。二、按輸出的變化規(guī)律來分:1．恒值系統(tǒng)：在外界干擾存在情況下，輸出基本恒定（給定輸入信號為恒值）2．隨動系統(tǒng)：輸出在寬范圍內(nèi)跟隨輸入任意變化（給定輸入信號是預先未知的時間函數(shù)）3．程序控制系統(tǒng)：輸出量按預定規(guī)律變化（給定輸入信號是已知的時間函數(shù)）1．連續(xù)控制系統(tǒng)：各環(huán)節(jié)輸入和輸出信號均為連續(xù)信號三、按信號的連續(xù)性來分:

2．離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是離散的（脈沖序列或數(shù)碼）第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十五頁，共42頁。四、按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程來分:1．線性系統(tǒng)：用線性微分（或差分）方程來描述2．非線性系統(tǒng)：用非線性微分（或差分）方程來描述參數(shù)與變量有關(guān),或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項五、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化來分:1．線性定常系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化2．線性時變系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時間而變化例：例：例：例：第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十六頁，共42頁。第四節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準確性第一章自動控制的一般概念第二十七頁，共42頁。

系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程(a)給定信號作用c(t)(b)擾動信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。第二十八頁，共42頁。通過動態(tài)過程時間長短表征。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性第三節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度第二十九頁，共42頁。由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準確性第三節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第三十頁，共42頁。穩(wěn)定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設(shè)計與調(diào)試的過程中,若過分強調(diào)某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對控制系統(tǒng)的基本要求第三十一頁，共42頁。四、典型輸入信號階躍函數(shù)斜坡函數(shù)tf(t)R0圖1-9tf(t)R0圖1-8第三十二頁，共42頁。脈沖函數(shù)正弦函數(shù)tf(t)A0圖1-10tf(t)A0圖1-11第三十三頁，共42頁。

自動控制理論研究的是如何按受控對象和環(huán)境特征，通過能動地采集和運用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件下正常運行并具有預定功能。它是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學，其主要內(nèi)容涉及受控對象、環(huán)境特征、控制目標和控制手段以及它們之間的相互作用。第五節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第一章自動控制的一般概念第三十四頁，共42頁。具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機上的離心調(diào)速器是比較自覺地運用反饋原理進行設(shè)計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，于1868年發(fā)表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三十五頁，共42頁。60年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計的控制系統(tǒng)達到最優(yōu)的性能指標，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件下，其某項性能指標達到最優(yōu)而實行的控制稱為最優(yōu)控制。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三十六頁，共42頁。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述當對象或環(huán)境特性變化時，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。各種理論中仍是古典頻率法最為適用。真正優(yōu)良的設(shè)計必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒性。這是當前的重要前沿課題之一。第三十七頁，共42頁。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述另外，使理論實用化的一個重要途徑就是數(shù)學模擬（仿真）和計算機輔助設(shè)計（CAD）。近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)理論等方面均有不同程度的發(fā)展。智能控制也得到了很快的發(fā)展，它主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。第三十八頁，共42頁?？傊詣涌刂评碚撜S著技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，而它反過來又成為高新技術(shù)發(fā)展的重要理論根據(jù)。本書所介紹的內(nèi)容是該理論中最基本的也是最重要的內(nèi)容，即古典控制理論部分。它在工程實踐中用得最多，也是進一步學習自動控制理論的基礎(chǔ)。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三十九頁，共42頁。1古典控制理論：2現(xiàn)代控制理論：研究對象：以單輸入單輸出（SISO）線性定常系為主研究工具：微分方程（時域t）傳遞函數(shù)（復頻域s）研究工具：狀態(tài)空間法（時域t）研究對象：多輸入多輸出（MIMO）系